JP2016133290A - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

Abstract

【課題】蒸発器では冷媒を湿った状態とし圧縮機入口部では乾いた状態にすることで蒸発器に熱結合された冷却対象物の温度を目標範囲に保持する。
【解決手段】圧縮機１、凝縮器、膨張弁３、蒸発器４を経て圧縮機に戻る循環路をなす冷媒配管５を備え、蒸発器に被冷却装置４１の発熱部を熱的に結合した冷凍サイクル装置であって、前記循環路における蒸発器の下流側に設けられた冷媒加熱用の後段ヒータ６２と、蒸発器と後段ヒータとの間の冷媒温度を検知する第１温度センサ７１と、後段ヒータの出口側の冷媒温度を検知する第２温度センサ７２と、後段ヒータに所定の発熱量を与えた状態で第１及び第２温度センサの検知結果に基づいて圧縮機の回転数及び膨張弁の開度を制御することにより、蒸発器における冷媒を常時湿った状態とし、かつ後段ヒータの出口側の冷媒を常時乾いた状態に保持する制御装置８を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は冷凍サイクル装置に係り、例えば、レーザを光源とするプロジェクタに組み込まれる冷却装置などとして用いられる冷凍サイクル装置に関する。

業務用のプロジェクタ市場において高輝度化、高寿命化の要望が高まり、レーザ光源を用いたプロジェクタの開発が行われている。それに伴って、レーザ光源を冷却するための冷却器の小型化のため、冷媒による冷却で例えば±３℃程度の温度範囲内に光源を制御するということが課題となっている。
例えば、特許文献１では、圧縮機、凝縮器、開度可変な膨張弁、及び蒸発器を配管で接続した空気調和機の冷凍サイクル装置が開示されている。
また、特許文献２、３では、圧縮機、凝縮器、減圧器および蒸発器を配管で接続し、レーザ光源部分を配管部と接続し、レーザ光源部分を冷却する冷却装置が開示されている。

ＷＯ２００７／０９４３４３Ａ１号公報（第１頁、図１〜３） 特開２００９−４２７０３号公報（第６〜７頁、図１〜４） 特開２００９−８６２６９号公報（第６〜７頁、図１〜４）

特許文献１のような冷凍サイクル装置の場合、温度の制御点として温度センサを蒸発器及び蒸発器出口に設けるので、その蒸発器を被冷却装置の冷却に適用した場合には目標過熱度になるように制御すると蒸発器内で冷媒が乾き、被冷却装置としてのレーザ光源部分の温度が目標温度範囲を超える場合が生じる恐れがあった。
特許文献２及び３のような冷却装置では、蒸発器から圧縮機に冷媒が流れるとき、圧縮機には気体冷媒を吸入させるため、蒸発器で冷媒を乾かせる構造としている。しかし、冷却すべきレーザ光源部分の途中で冷媒が乾いてしまうと、複数のレーザモジュールが配置されたレーザ光源部全域の温度を目標温度範囲内で管理するのが困難であるという問題があった。

本発明は上記のような課題を解消するためになされたものであり、蒸発器ではその全域で冷媒が湿った状態を保持し、圧縮機の入口部では冷媒が乾いた状態を保持できるようにすることにより蒸発器に対して熱的に結合された冷却対象物の温度を目標の温度範囲に管理できるようにした冷凍サイクル装置を得ることを目的としている。

本発明に係る冷凍サイクル装置は、圧縮機によって圧縮された冷媒が、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を経て前記圧縮機に戻るように接続された循環路を備え、前記蒸発器に被冷却装置の発熱部を熱的に結合させるようにした冷凍サイクル装置であって、前記循環路における前記蒸発器の下流側に設けられた冷媒加熱用の後段ヒータと、前記蒸発器と前記後段ヒータとの間の前記循環路の冷媒温度を検知する第１温度センサと、前記後段ヒータの出口側の前記循環路の冷媒温度を検知する第２温度センサと、前記後段ヒータに所定の発熱量を与えた状態において前記第１温度センサ及び第２温度センサの検知結果に基づいて前記圧縮機の回転数及び前記膨張弁の開度を制御することにより、前記蒸発器の全域における冷媒を湿った状態とし、かつ前記後段ヒータの出口側の冷媒を乾いた状態に保持する制御装置とを備えるようにしたものである。

本発明によれば、蒸発器ではその全域で冷媒が湿った状態を保持し、圧縮機の入口部では冷媒が乾いた状態を保持するように制御できるので、蒸発器に対して熱的に結合された冷却対象物の温度を目標の温度範囲に確実に管理できる。

本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の要部構成を概略的に示す図である。 図１に示す冷凍サイクル装置の制御フローを概略的に示すチャート図である。 本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の制御フローを概略的に示すチャート図である。 本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置の要部構成を概略的に示す図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１による冷凍サイクル装置の要部構成を概略的に示す図、図２は図１に示す冷凍サイクル装置の制御フローを概略的に示すチャート図である。図において、実施の形態１による冷凍サイクル装置１００は、冷媒（図示省略）を圧縮する圧縮機１、熱交換器で成る凝縮器２、開度可変な膨張弁３、複数のレーザ光源部を有するプロジェクタを用いてなる被冷却装置４１の発熱部４１ａが熱的に結合された熱交換器を構成している蒸発器４、及び前記圧縮機１を冷媒配管５で環状に接続し、冷媒が図１の矢印の方向に通流される循環路に対して、蒸発器４の上流側の冷媒配管５に設けられた前段ヒータ６１と、蒸発器４の下流側の冷媒配管５に設けられた後段ヒータ６２と、蒸発器４と後段ヒータ６２との間の循環路の冷媒温度を検知する第１温度センサ７１と、後段ヒータ６２の出口側の循環路の冷媒温度を検知する第２温度センサ７２と、第１温度センサ７１及び第２温度センサ７２の検知結果に基づいて装置の制御を行う制御装置８などを備えている。

熱交換器で成る凝縮器２にはファン２ａが設置されている。また、前段ヒータ６１と後段ヒータ６２としては例えば電気抵抗で発熱させる電熱装置などを用いることができるが、これに限定されるものではない。例えば、後段ヒータ６２として圧縮機１の吐出口を出た冷媒配管などを用いるようにしても良い。被冷却装置４１はここでは大形の複数のレーザ光源部と、それよりも小形の複数のレーザ光源部が所定の位置関係で設置されたモジュールからなり、その発熱部４１ａが、気液が混合状態にある湿り蒸気からなる冷媒が通流される蒸発器４の壁面に直列方向に分散して取り付けられ、熱交換が行われるように構成されている。なお、発熱部４１ａは蒸発器４に直接取り付ける手法の他に、例えばヒートパイプなどを介在させて熱的に結合するようにしても良い。圧縮機１の駆動回路としては、回転制御が容易な例えば既存のインバータ式の駆動回路などを適宜選択して用いることができる。

また、第１温度センサ７１と、第２温度センサ７２は、温度の制御点として設置されている。また、本書において、複数のレーザ光源部の冷媒流通方向最終端を経た蒸発器４の出口部に設けた第１温度センサ７１によって検知された温度と、後段ヒータ６２の出口部と圧縮機１との間に設けた第２温度センサ７２によって検知された温度の差を過熱度と定義している。また、第１温度センサ７１によって検知された温度を複数のレーザ光源部を設置した蒸発器４の蒸発温度と定義している。該蒸発温度は被冷却装置４１の発熱部４１ａの冷却温度でもある。図１、図２に示された本実施の形態１では、圧縮機１の回転数、膨張弁３の開度を制御パラメータとしている。制御パラメータを入出力する機器として制御装置８と、その制御装置８から圧縮機１、膨張弁３、前段ヒータ６１、及び後段ヒータ６２の各機器とを接続している配線８１を備えている。

次に、動作について説明する。冷媒配管５を流れる冷媒は、圧縮機１の吸入口から入ると、圧縮され、高温、且つ、高圧の冷媒となり、圧縮機１の吐出口から吐出される。圧縮機１から吐出された冷媒は、冷媒配管５を流れ、凝縮器２の中を流れる。凝縮器２で、冷媒は、凝縮器２とファン２ａにより熱交換されて凝縮され、低温、且つ高圧の液体の冷媒となる。凝縮器２を出た冷媒は、冷媒配管５を通り、開度可変な膨張弁３に進む。膨張弁３では、膨張弁３の開度を絞り、流路径を変化させることで低温、且つ、低圧の冷媒になる。冷媒は、膨張弁３を出た後、図中に示す矢印の方向に進み、前段ヒータ６１と複数のレーザ光源部を有する蒸発器４と後段ヒータ６２を通り、前段ヒータ６１と複数のレーザ光源部と後段ヒータ６２の熱を奪い、高温、且つ、低圧の気体の冷媒となり、圧縮機１へ進む。

図２において、温度制御フロー１０におけるステップ（以下、ステップの番号を示すときには、単に「Ｓ」と略記する）Ｓ１１では、制御装置８に予め設定された膨張弁３の開度、圧縮機１の回転数、前段ヒータ６１の発熱量、後段ヒータ６２の発熱量の各値が各機器に対応して入力された後、制御装置８に予め設定入力された待ち時間の間、前記各機器への各値の入力を行わない。Ｓ１１で設定された待ち時間が経過するとＳ１２に進む。Ｓ１２では、Ｓ１１で制御装置８に設定入力された前段ヒータ６１の発熱量と後段ヒータ６２の発熱量の値が各機器に入力され、Ｓ１３へ進む。Ｓ１３では、過熱度と蒸発温度の制御が開始され、Ｓ１４とＳ１７へ進む。Ｓ１４では、制御装置８に予め設定入力された制御周期の時間が経つ毎に、Ｓ１５に進む。Ｓ１５では、第２温度センサ７２の温度から第１温度センサ７１の温度を引いた温度である過熱度の現在値が目標過熱度範囲外にあるか否かを制御装置８で判定する。

前記過熱度が目標過熱度範囲外のとき、Ｓ１６に進む。また、前記過熱度が目標過熱度範囲内のとき、Ｓ１６をとばして、Ｓ１４に進む。Ｓ１６では、過熱度が目標値の上限よりも高い側に偏倚している時は膨張弁３の開度を開き、目標値の下限よりも低い時は膨張弁３の開度を絞るように調整する。膨張弁３の開度の調整方法は、例えば、目標過熱度と検知された過熱度との差をとり、差の大きさに応じて予め設定されたリストから求められる膨張弁３の開度の変更値を設定し、制御装置８から膨張弁３に変更値を入力し、Ｓ１４に進む。制御装置８で終了ボタン（図示省略）が押されるまで、Ｓ１４、Ｓ１５、Ｓ１６の３ステップを繰り返す。なお、終了ボタンが操作されると、システム停止フロー２０が動作してＳ２１で冷凍サイクルの運転が停止される。次に、Ｓ１７では、制御装置８に予め設定入力された制御周期の時間毎に、Ｓ１８に進む。

Ｓ１８では、前述の蒸発温度が目標蒸発温度範囲外にあるか否かを制御装置８で判定する。蒸発温度が目標蒸発温度範囲外のとき、Ｓ１９に進む。また、前記蒸発温度が目標蒸発温度範囲内のとき、Ｓ１９をとばし、Ｓ１７へ進む。Ｓ１９では、蒸発温度が目標値の上限よりも高い時は圧縮機１の回転数を上げ、目標値の下限よりも低い時は回転数を下げるように調整する。圧縮機１の回転数の調整方法は、例えば、目標蒸発温度と検知された蒸発温度との差をとり、差の大きさに応じて予め設定されたリストから求められる圧縮機１の回転数の変更値を設定し、制御装置８から圧縮機１に変更値を入力し、Ｓ１７に進む。制御装置８で終了ボタンが押されるまで、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９の３ステップの動作を繰り返す。

冷凍サイクルにおいて、圧縮機１に吸入させる冷媒は気体である必要がある一方で、被冷却装置である複数のレーザ光源部は全ての発熱部４１ａをムラなく所定の温度範囲に確実に冷却できるようにする必要がある。このために本実施の形態１においては、上記説明したように蒸発器４の部分ではその全域で冷媒を乾かさず、後段ヒータ６２に一定の発熱量を与えて、冷媒が乾く場所を、被冷却装置を有する蒸発器４を通過した蒸発器４よりも常に後ろ側となるようにするため、蒸発器４の出口部に設けた第１温度センサ７１の温度、つまり、複数のレーザ光源部の全域の発熱部４１ａの温度が目標温度範囲を超えることがないようにしたものである。

詳細には、前段ヒータ６１の発熱量、後段ヒータ６２の発熱量、圧縮機１の回転数、及び膨張弁３の開度を予め決められた所定の値に設定し、冷凍サイクルを起動した後、一定時間待ち、過熱度（第２温度センサ７２の値と第１温度センサ７１の値の差）と第１温度センサ７１によって検知される蒸発温度を用いて図２に例示されるようなフィードバック制御を行うことで、複数のレーザ光源部を有する蒸発器４の温度を目標温度範囲内に制御することができる。また、第１温度センサ７１のみで複数のレーザ光源部を有する蒸発器４の全域の温度を管理できる。なお、前段ヒータ６１は蒸発器４に送給する冷媒の制御を圧縮機１の回転数、及び膨張弁３の開度の調整と合わせて行うことにより、蒸発器４での温度制御を適切に行うことができる他、例えば、被冷却装置４１の運転が停止されているときに冷凍サイクルの運転を先に行うようにした場合などにおいても、冷媒を蒸発させる熱源として有効に作用させることができるものであるが、そのような要求がない場合や、蒸発器４での温度制御が圧縮機１の回転数及び膨張弁３の開度の調整のみで行うことができる場合には設置を省略することもできる。

上記のように実施の形態１によれば、複数のレーザ光源部を有する被冷却装置４１を熱源として結合した蒸発器４では、その全域で冷媒が湿った気液混合状態が保持され、冷媒の乾く場所は、蒸発器４よりも常に後ろで、圧縮機１の入口部では冷媒が乾いた過熱状態を保持するように制御できる。そのため、蒸発器４に対して熱的に結合された被冷却装置４１である複数のレーザ光源部全域の温度を設定された目標値に対して例えば±３℃程度の温度範囲内に管理することも容易に可能となる。また、被冷却装置４１として複数のレーザ光源部を有するプロジェクタを用いるようにしたので、レーザ光源部の発熱部の冷却を安定して行うことができるので、プロジェクタの信頼性を高め、長寿命化を図ることができるなどの効果が得られる。

実施の形態２．
図３は本発明の実施の形態２による冷凍サイクル装置の制御フローを概略的に示すチャート図である。なお、この実施の形態２は図１に示す実施の形態１と同様のハード構成を用い、図２に示す制御フローの一部を変更したものである。図３に示す温度制御フロー１０Ａにおいて、図２と異なる点は、ステップにおける、Ｓ１６がＳ１６Ａに変更され、Ｓ１９がＳ１９Ａに変更されている。その他の点は実施の形態１と同様であるので、以下、その異なる点を中心に動作について説明する。

Ｓ１６Ａでは、Ｓ１５において過熱度が目標過熱度の範囲外であった場合に実施の形態１と同様に膨張弁３の開度を予め設定されたリストに示される値によって調整する。但し、変更する膨張弁３の開度がリストの限界値を超える方向になる場合は、別途予め調べられ設定された、その膨張弁３の開度における圧縮機１の回転数と過熱度の関係を記録したリストから圧縮機１の回転数を調整する。
一方、Ｓ１８で蒸発温度が目標値の範囲外であった場合、Ｓ１９Ａに進む。Ｓ１９Ａでは、基本的には圧縮機１の回転数を実施の形態１と同様に予めメモリ等に記憶されたリストに示される値によって調整する。そのとき、圧縮機１の回転数の変更値がリストの限界値を超える方向になる場合は、別途予め調べられ設定された、膨張弁３の開度、前段ヒータ６１の発熱量、及び後段ヒータ６２の発熱量の内の１つまたは任意の複数を同時に調整する。例えば、目標蒸発温度と第１温度センサ７１で検知された蒸発温度との差をとり、差の大きさに応じて膨張弁３の開度、前段ヒータ６１の発熱量、及び後段ヒータ６２の発熱量の少なくとも１つを変化させる。なお、Ｓ１６Ａと重複する制御項目である膨張弁３の開度と圧縮機１の回転数の調整については、制御のタイミングが一致しないようにシーケンスをずらす必要がある。システム停止フロー２０の冷凍サイクルの終了が選択されるまで、Ｓ１７、Ｓ１８、Ｓ１９Ａを繰り返す。

実施の形態１では、蒸発温度の制御は圧縮機１の回転数のみで行っているため、回転数が上限、もしくは、下限になると、制御することができなくなり、被冷却装置４１を構成するレーザ光源部の温度が管理温度範囲を超えるという可能性がある。これに対して実施の形態２では、圧縮機１の回転数、膨張弁３の開度、前段及び後段ヒータ６１、６２の発熱量と、多数のパラメータで蒸発温度を制御するようにしたので、圧縮機１の回転数が上限、もしくは、下限値を超えたとしても他の制御パラメータで制御することができ、管理温度範囲を超えるという恐れを無くすことができる効果が得られる。しかも、複数のレーザ光源部全域の温度が目標温度範囲を超えることがない。

実施の形態３．
図４は本発明の実施の形態３による冷凍サイクル装置の要部構成を概略的に示す図である。冷凍サイクル装置１００Ａは、後段ヒータ６２と第２温度センサ７２との間の冷媒配管５ｃに、熱交換器からなる冷媒冷却部９１と冷媒冷却部９２が介装されている。冷媒冷却部９１は冷媒冷却部９２に対して冷媒の通流方向の下流側に設置され、圧縮機１の吐出側の冷媒配管５ａを迂回させるように冷媒冷却部９１に接続して、圧縮された高温高圧の冷媒が冷媒配管５ｃによって冷却された後、凝縮器２に送られるように構成されている。冷媒冷却部９２には、凝縮器２と膨張弁３を接続する冷媒配管５ｂを迂回させるように該冷媒配管が接続され、凝縮器２により凝縮された高圧液状の冷媒が冷媒配管５ｃによって更に冷却された後、膨張弁３に送られるように構成されている。その他の構成は実施の形態１同様であるので説明を省略する。

次に、動作について実施の形態１と異なる部分を中心に説明する。冷媒配管５ｃを流れる冷媒の温度は後段ヒータ６２によって加熱された場合でも、冷媒配管５ａや冷媒配管５ｂを流れる冷媒の温度よりも低温である。圧縮機１の吐出口から吐出された高温の冷媒は冷媒配管５ａを流れ、冷媒冷却部９１を流れる。冷媒冷却部９１では、後段ヒータ６２の出口を流れる冷媒の冷媒配管５ｃと冷媒配管５ａが接触することにより、熱交換が行われる。また、凝縮器２の出口から出た冷媒は冷媒配管５ｂを流れ、冷媒冷却部９２を流れる。冷媒冷却部９２では、後段ヒータ６２の出口を流れる冷媒の冷媒配管５ｃと冷媒配管５ｂが接触することにより、熱交換が行われる。

実施の形態１では、複数のレーザ光源部を冷却する蒸発器４の出口から出た湿った冷媒を加熱する熱源が後段ヒータ６２のみであった。これに対して実施の形態３では、冷媒配管５ａ、５ｂ自体を熱源とするため、後段ヒータ６２の発熱量の値を前記実施の形態１に比べて小さく設定し、複数のレーザ光源部を冷却する蒸発器４の温度を目標値内に管理できる。また、冷凍負荷が下がるため冷凍能力は上がり、消費電力を削減することができるという効果も期待できる。なお、冷媒配管５ｃに対する後段ヒータ６２、冷媒冷却部９１及び冷媒冷却部９２の設置順序は図４に例示したものに限定されるものではない。例えば、冷媒冷却部９１を後段ヒータ６２の上流側に設置しても良い。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態の一部または全部を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。また、被冷却装置として複数のレーザ光源部を用いた例について説明したが、それに限定されるものではなく、発熱部を冷却する必要のある他の機器類にも適用できることは言うまでもない。

１ 圧縮機、２ 凝縮器、２ａ ファン、３ 膨張弁、４ 蒸発器、
４１ 被冷却装置、４１ａ 発熱部、５、５ａ、５ｂ、５ｃ 冷媒配管（循環路）、
６１ 前段ヒータ、６２ 後段ヒータ、７１ 第１温度センサ、７２ 第２温度センサ、８ 制御装置、８１ 配線、９１ 冷媒冷却部、９２ 冷媒冷却部、
１０ 温度制御フロー、２０ システム停止フロー、
１００、１００Ａ 冷凍サイクル装置。

Claims (7)

1. 圧縮機によって圧縮された冷媒が、凝縮器、膨張弁、及び蒸発器を経て前記圧縮機に戻るように接続された循環路を備え、前記蒸発器に被冷却装置の発熱部を熱的に結合させるようにした冷凍サイクル装置であって、前記循環路における前記蒸発器の下流側に設けられた冷媒加熱用の後段ヒータと、前記蒸発器と前記後段ヒータとの間の前記循環路の冷媒温度を検知する第１温度センサと、前記後段ヒータの出口側の前記循環路の冷媒温度を検知する第２温度センサと、前記後段ヒータに所定の発熱量を与えた状態において前記第１温度センサ及び第２温度センサの検知結果に基づいて前記圧縮機の回転数及び前記膨張弁の開度を制御することにより、前記蒸発器の全域における冷媒を湿った状態とし、かつ前記後段ヒータの出口側の冷媒を乾いた状態に保持する制御装置と、を備えたことを特徴とする冷凍サイクル装置。
2. 前記第１温度センサによって求められた温度を前記蒸発器における冷媒の蒸発温度とし、前記第２温度センサの値から前記第１温度センサの値を引いた差分値から求められた温度を過熱度とし、前記制御装置は、前記蒸発温度と前記過熱度についてそれぞれ予め設定された目標値に対する現在値の偏倚に応じて前記制御を行うことを特徴とする請求項１記載の冷凍サイクル装置。
3. 前記制御装置は、前記蒸発温度に基づいて前記圧縮機の回転数を制御し、前記過熱度に応じて前記膨張弁の開度を制御することを特徴とする請求項２記載の冷凍サイクル装置。
4. 前記制御装置は、前記蒸発温度に基づいて、さらに前記後段ヒータの発熱量を制御することを特徴とする請求項３記載の冷凍サイクル装置。
5. 前記循環路における前記蒸発器の上流側に設けられた冷媒加熱用の前段ヒータを備えたことを特徴とする請求項１から請求項４の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
6. 前記蒸発器の出口と前記第２温度センサとの間における冷媒配管に対して、前記圧縮機の吐出側の冷媒配管と前記凝縮器の出口側の冷媒配管の少なくとも一方を熱的に結合したことを特徴とする請求項１から請求項５の何れかに記載の冷凍サイクル装置。
7. 前記被冷却装置として、レーザ光源を有するプロジェクタを用いて成ることを特徴とする請求項１から請求項６の何れかに記載の冷凍サイクル装置。

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